上古时期，在黄河尚未贯通之前，陕、晋、豫交界处，包括陕西关中地区，山西西南部临汾、运城地区，以及河南西部灵宝地区的一大片毗连区域，存在着一个巨大的古老湖泊。由于这一座巨大的湖泊是在三门峡地区地址调查中被发现的，所以也被命名为古“三门湖”。三门湖是存在于二、三百万年前的一个古代大湖，总面积大约为２~３万平方公里。包含了现如今的黄河、渭河、汾河流域的广大地区。黄河、渭河、汾河在关中，临汾、运城，和宝灵地区的三座盆地流过，分别形成了三座盆地中一眼望不到边际的平原沃野。这片良田沃土地势平坦、辽阔无垠。可是谁也不会想到，在第四纪的初期，这里却是一座碧波荡漾的大湖的湖底。
三门湖是中国地质学家丁文江于１９１８年，在河南省三门峡附近进行地质调查时发现的。丁文江团队在对三门峡地区进行地质勘查中发现了一套岩性为黏土、亚黏土和砂层等叠置在一起的地层。并在其中找到了很多软体动物化石。因此就以首次发现地三门峡作为这一地层构造的名称，将其命名为三门系。此后，与这一地层相同的地质体系在临近地区被陆续发现，西至陕西关中地区，北达山西运城一带，皆有其踪迹。因此被认为是在相同的湖泊环境中形成。地层中所发现的部分软体动物化石，也正是生活在同一湖泊环境中水生软体动物。
三门湖的形成与消失，见证了地球上沧桑变迁的完整过程。古籍《山海经》有一个故事：“仙女麻姑曾见东海三次变为桑田……”。然而，从远古至今，中国上古时期的这种传说也并非全都是虚幻的神话故事。在地球形成的数十亿年的过程中，在广大的地区历过的沧桑之变亦不在少数，这样的变化并不是什么稀罕的事务，根本无须为此感到惊奇。不用说在陕、晋、豫交界之处，曾经出现过的古三门湖盆地，就算是号称世界屋脊的喜马拉雅山脉，也曾经是一片汪洋的古喜马拉雅海。在距今约七、八千万年前，陕、晋、豫交界之处的古三门湖盆地，也和整个华北地区有着相同的地质变迁，共同经历了长时期的海、陆交互和大型内陆湖泊、河流的盆地相的变迁的历史过程。
在后期的白垩纪之末，由于受燕山造山运动的影响，陕北等地区大面积抬升，古三门湖南侧的秦岭也随之继续生长。在其边缘地域发生了一系列东西向和东北向的断层，在这些断层的夹持中，中间部分相对陷落，形成了汾渭盆地的雏形。数千万年的第三纪时期，受多次断裂活动的影响，汾渭盆地不断演化变迁，到了第四纪初期，汾渭盆地的面积大大的扩充，形成了一个面积巨大的三门湖盆地。直至距今约１００万年前，因地质构造运动的影响，盆地逐渐上升，气候也逐渐趋于干旱，三门湖面积亦相应渐趋缩小。受干旱气候的影响，在强阳光的暴晒下，湖水大量被蒸发，古三门湖湖水中的盐碱浓度不断的加大，此时期的地质地层中出现了石膏层的沉积，古三门湖的湖泊环境鼎盛期也由此结束，进入了衰退期。距今约几十万年前的中更新世时，湖泊的面积大为缩小，在现代汾河、渭河的位置上，存有一些小型遗留湖泊。运城地区的河东盐池和关中地区的卤阳湖，就是三门湖不断缩小以后的残留湖。秦国首都咸阳也正是因其紧邻古代面积更大的古卤阳湖而被命名的。
在古三门湖时期，黄河主要支流渭河、汾河尚未形成，黄河也没有统一的河道系统。当时在现今黄河“几”字形的河道位置上，尤其是在黄河中游这一片土地上，存在着一系列与三门湖类似的姐妹湖。这些姐妹湖泊各自独处相互间并不贯通，但是，正是由于这些姐妹湖泊的存在，才共同孕育出华夏民族的母亲河的黄河。古三门湖的周围，有着众多河川溪流汇入，自成一个独立的内陆水系。古三门湖形成之后，经历多次构造运动的影响，发生了河-湖相环境的多次更替，古三门湖湖盆也经